close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3713

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3713
(13)
C1
7
(51) G 01B 7/30
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА ПОВОРОТА НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА
(21) Номер заявки: 970625
(22) 1997.11.18
(46) 2000.12.30
(71) Заявитель: Белорусский
государственный
университет (BY)
(72) Авторы: Анищик В.М., Ярмолович В.А. (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский
государственный университет (BY)
BY 3713 C1
(57)
1. Устройство определения угла поворота на эффекте Холла, содержащее закрепленный на роторе источник постоянного магнитного поля, неподвижный магнитопровод, содержащий две пластины, в зазоре между
которыми размещен элемент Холла, изогнутые по дуге окружности, и измерительный блок, отличающееся
тем, что источник магнитного поля выполнен в виде диска с одним немагнитным и двумя намагниченными в
аксиальном направлении противоположно друг другу участками, имеющими границу раздела разноименных полюсов, проходящую через диаметр диска, выполненными в форме полукруга и полукруга с выступами соответственно, магнитопровод содержит дополнительно две пластины, в зазоре между которыми
расположен второй элемент Холла, изогнутые по дуге окружности с центральным углом 190° ≤ α ≤ 220° и
внешним радиусом, равным радиусу диска, причем пластины расположены соответственно сверху и снизу
диска параллельно его основанию, а полупроводниковые пластины элементов Холла, размещенных в зазорах магнитопровода, лежат в одной плоскости, которая перпендикулярна основанию диска и проходит через
его ось вращения, у одного из оснований диска расположен неподвижно третий элемент Холла параллельно
его поверхности таким образом, что плоскость раздела противоположно намагниченных участков диска
проходит около него через каждые 180° поворота ротора.
Фиг. 1
2. Устройство по пункту 1, отличающееся тем, что толщина пластин магнитопровода не превышает максимального линейного размера магниточувствительной полупроводниковой пленки элемента Холла и составляет не менее 75 % от этого же линейного размера.
BY 3713 C1
(56)
1. JP 553202 A, 1995.
2. JP 5065827 A, 1996.
3. ВАЙСС Г. Физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их применение/Под ред. О.К.
Хомерики. - М.: Энергия, 1974. - С. 207-208.
4. EP 0420839 A1, 1991.
5. EP 0670472 A1, 1995.
6. GB 2143328 A, 1985.
7. GB 2229006 A, 1990.
8. US 4789826 A, 1988.
9. US 5159268 A, 1992.
Предлагаемое изобретение относится к приборостроению и может использоваться для однозначного определения угла поворота без микропроцессора в системах управления вентильными и шаговыми электродвигателями, в металлорежущих станках и т.д.
Известно устройство для определения углового положения [1], содержащее неподвижный магниточувствительный элемент, который может находится либо внутри, либо снаружи вращающегося кольца. Кольцо
содержит два сегментообразных магнита, намагниченных тангенциально, и магнитные элементы, замыкающие магнитную цепь. При вращении кольца магниточувствительный элемент фиксирует интенсивность магнитного поля, созданного магнитным потоком утечки, который является периодической функцией угла поворота.
Поскольку выходной сигнал периодический с периодом менее 360°, то каждой его величине соответствует по крайней мере не менее двух углов поворота, которые нельзя различить без применения микропроцессорной обработки или сигнала с другого какого-нибудь элемента. При прохождении магниточувствительного элемента вблизи магнитов интенсивность магнитных потоков утечки проходят свои экстремальные
значения (локальные максимумы и минимумы), что приводит к дополнительной погрешности в определении
угла поворота на этих участках.
Наиболее точный подход к определению угла поворота на основе аналоговых сигналов от синускосинусного преобразователя предоставлен в устройстве [2]. Оно содержит датчик угла поворота, дающий
на выходах первый и второй аналоговые сигналы, соответствующие углу поворота вращающегося элемента,
схему выборки и хранения, на которую в каждый интервал времени поступают аналоговые сигналы, АЦП,
таблицу, которая по первым двум сигналам выдает соответствующие данные об углах поворота, и вычислительный блок.
Таким образом, для точного и однозначного определения угла необходимо наряду с синус-косинусным
преобразователем использовать и типичную микропроцессорную обработку, например как в [2].
Известен датчик угла поворота [3], наиболее близкий к предлагаемому (прототип), содержащий четыре
элемента Холла, расположенные неподвижно в зазорах магнитопровода, выполненного в форме кольца. Постоянный магнит, создающий магнитное поле, закреплен на оси вращения. Элементы Холла сдвинуты на углы в 90° друг относительно друга и соединены попарно последовательно таким образом, чтобы их выходные
напряжения складывались. Суммы холловских напряжений первой и второй пары элементов оказываются
сдвинутыми по фазе на π/2 радиан, т.е. имеют вид U1=U0sinϕ и U2=U0cosϕ, где ϕ - угол поворота.
К недостаткам [3] следует отнести то, что результирующие напряжения U1 и U2 не являются точно синусоидальными и косинусоидальными, поскольку поток вращающегося магнита входит в кольцевой магнитопровод или в непосредственной близости от воздушного зазора или в отдаленности от него. Кроме того, обработка двух аналоговых сигналов U1 и U2, имеющих существенно нелинейную зависимость от угла, требует
либо сложной электронной части, либо использования микропроцессора.
Однако при высокоскоростных процессах вращения требуются высокоскоростные процессоры, которые
должны успевать работать в реальном масштабе времени. Кроме того, использование процессора в ряде случаев сильно удорожает изделие.
Поэтому задачей настоящего изобретения является упрощение функциональных узлов устройства за счет
исключения микропроцессора при обеспечении однозначности в определении угла поворота и линейности
выходных характеристик аналогового сигнала.
Решение данной задачи обусловлено применением источника магнитного поля в виде диска с одним немагнитным и двумя намагниченными в аксиальном направлении противоположно друг другу участками и
магнитопровода, пластины которого изогнуты по дуге окружности и расположены соответственно сверху и
снизу диска параллельно его основанию, что и обеспечивает линейную зависимость выходных сигналов
элементов Холла, размещенных в зазорах пластин, от угла поворота в интервале углов, превышающих π.
2
BY 3713 C1
При этом используется два элемента Холла, каждый из которых функционирует в своем диапазоне 0 ≤ ϕ ≤ π
и π ≤ ϕ ≤ 2π соответственно. Выбор и переключение диапазонов происходит автоматически с помощью
третьего элемента Холла, расположенного вне магнитопровода.
Устройство определения угла поворота на эффекте Холла включает:
1. Закрепленный на роторе источник постоянного магнитного поля, неподвижный магнитопровод, содержащий две пластины, в зазоре между которыми размещен элемент Холла, изогнутые по дуге окружности,
и измерительный блок и отличается тем, что источник магнитного поля выполнен в виде диска с одним немагнитным и двумя намагниченными в аксиальном направлении противоположно друг другу участками,
имеющими границу раздела разноименных полюсов, проходящую через диаметр диска, выполненными в
форме полукруга и полукруга с выступами соответственно, магнитопровод содержит дополнительно две
пластины, в зазоре между которыми расположен второй элемент Холла, изогнутые по дуге окружности с
центральным углом α (190° ≤ α ≤ 220°) и внешним радиусом, равным радиусу диска, причем пластины расположены соответственно сверху и снизу диска параллельно его основанию, а полупроводниковые пластины
элементов Холла, размещенных в зазорах магнитопровода, лежат в одной плоскости, которая перпендикулярна основанию диска и проходит через его ось вращения, у одного из оснований диска расположен неподвижно третий элемент Холла параллельно его поверхности таким образом, что плоскость раздела противоположно намагниченных участков диска проходит около него через каждые 180° поворота ротора.
2. Устройство по п. 1 отличается тем, что толщина пластин магнитопровода не превышает максимального линейного размера магниточувствительной полупроводниковой пленки элемента Холла и составляет не
менее 75 % от этого линейного размера.
Анализ предлагаемого решения и известных показывает, что устройство содержит ряд новых элементов,
позволяющих вырабатывать два аналоговых сигнала строго линейной формы в двух диапазонах углов поворота 0 ≤ ϕ ≤ π и π ≤ ϕ ≤ 2π соответственно с автоматическим переключением этих диапазонов с помощью
третьего элемента Холла таким образом, что отпадает необходимость в компьютерной обработке аналоговых сигналов U1 и U2. К этим элементам относится ферромагнитный диск, в котором два участка из трех намагничены в аксиальном направлении противоположно друг другу и выполнены в форме полукруга и полукруга с выступами, имеют границу раздела разноименных полюсов, проходящую через диаметр диска.
Пластины магнитопровода изогнуты попарно по дугам окружностей с центральным углом α, таким что (190°
≤ α ≤ 220°) и расположены неподвижно соответственно сверху и снизу диска параллельно его основанию.
Это позволяет двум элементам Холла, расположенных в узких зазорах пластин магнитопровода, выдавать
линейно-зависящие от угла поворота ϕ два аналоговых сигнала, каждый в своем диапазоне. Дополнительно
новым является использование пластин магнитопровода определенной толщины, не превышающей максимального линейного размера магниточувствительной полупроводниковой пластины (полупроводниковой
пленки) элемента Холла и составляющей не менее 75 % этого же линейного размера, что позволяет использовать пластины магнитопровода в качестве концентраторов магнитного потока. Именно при таких толщинах магнитопровода получается максимальная чувствительность к углу поворота диска ϕ, при этом сохраняется линейность функций ε5=U1 (ϕ) и ε6=U2 (ϕ) в соответствующих диапазонах углов. Таким образом,
предлагаемое техническое решение является новым.
Сопоставление известных технических решений и предлагаемого показывает, что отличительные признаки являются существенными. Именно взаимодействие источников магнитного поля, закрепленных на роторе, и неподвижных пластин магнитопровода с элементами Холла в их зазорах позволяет сформировать аналоговые сигналы строго линейной формы (сшить две линейные от угла поворота функции) и тем самым
обеспечить однозначное определение угла поворота при многооборотном вращении без применения микропроцессора. Тем самым решается задача упрощения функциональных узлов устройства. Более детально существенными отличиями являются: выбор толщины пластин магнитопровода в соответствии с используемыми размерами полупроводниковых пластин (пленок) магниточувствительных элементов Холла;
использование магнитопровода в форме пластин, изогнутых по дугам окружностей с центральным углом α
(190° ≤ α ≤ 220°) и внешним радиусом, равным радиусу диска, и изготовление ферромагнитного диска с одним немагнитным и двумя намагниченными участками. Причем пространственное распределение индукции
от источников магнитного поля позволяет элементам Холла реализовывать две функции, а именно: выдавать
линейно-зависящие от угла поворота аналоговые сигналы в двух диапазонах и синхронно переключать эти
диапазоны. Таким образом, предлагаемое решение обладает совокупностью новых признаков, которые являются существенными.
На фиг. 1 изображено расположение источников магнитного поля, пластин магнитопровода и магниточувствительных элементов Холла, находящихся в функциональной связи друг с другом; на фиг. 2 - разрез по
линии А-А; на фиг. 3 - ЭДС трех элементов Холла ε5, ε6, ε7 соответственно, в зависимости от угла поворота
ϕ.
3
BY 3713 C1
Устройство содержит закрепленный на роторе источник постоянного магнитного поля (ферромагнитный
диск), имеющий намагниченные 2, 3 и немагнитный 1 участки, неподвижный магнитопровод 4, в зазорах
пластин которого размещены два элемента Холла 5 и 6 соответственно, дающие на выходах первый ε5 и второй ε6 аналоговые сигналы, соответствующие угловому положению ротора, и измерительный блок (блок не
показан). Участки диска 2 и 3 намагничены в аксиальном направлении противоположно друг другу. Участок
3 выполнен в форме полукруга, а 2 - в форме полукруга с выступами. Участки 2 и 3 имеют границу раздела
разноименных полюсов, проходящую через диаметр диска.
Пластины магнитопровода 4, выполненные из магнитомягкого материала, например пермаллоя, и имеют
узкие зазоры для элементов Холла (ЭХ) 5, 6. Пластины магнитопровода изогнуты попарно по дуге окружности с центральным углом α (190° ≤ α ≤ 220°) и имеют внешний радиус, равный радиусу диска. Ширина пластин магнитопровода не критична к размерам, однако, ее лучше поддерживать меньше или равной ширине
выступов участка 2. Пластины магнитопровода расположены попарно соответственно сверху и снизу диска
параллельно его основанию. Полупроводниковые пластины элементов Холла 5 и 6 лежат в одной плоскости,
которая перпендикулярна основанию диска и проходит через его ось вращения. Элемент Холла 7 расположен неподвижно у одного из оснований диска, параллельно его поверхности, таким образом, что плоскость
раздела противоположно намагниченных участков диска проходит около ЭХ 7 через каждые 180° поворота
ротора.
Устройство работает следующим образом. При вращении ротора граница раздела противоположно намагниченных полюсов 2 и 3 проходит в непосредственной близости от элемента Холла 7 через каждые 180°
поворота. Это значит, что ЭХ 7 находится в магнитном поле одного из участков 2 или 3 при любом угле поворота ϕ, что соответствует чередованию прямоугольных импульсов его ЭДС в зависимости от угла поворота, а это представлено на фиг. 3 (кривая ε7). Таким образом, в зависимости от полярности ε7 весь диапазон
углов оказывается разбитым на два поддиапазона с длительностью 180° . В каждом из поддиапазонов аналоговые сигналы от элементов 5 и 6 имеют линейную зависимость от угла поворота ϕ, что представлено линиями ε5 и ε6 на фиг. 3. Пусть участок 2 находится в непосредственной магнитной связи с ЭХ 6. Поскольку
пластины магнитопровода 4 расположены параллельно основанию диска, то они выполняют роль концентраторов индукции магнитного поля в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Т.е. они усиливают тангенциальную составляющую индукции Вτ от участка 2 и почти не влияют на составляющую, параллельную
оси диска Bz. Таким образом, при симметричном расположении пластин 4 относительно намагниченного
участка 2 вследствие вычитания магнитных потоков, ЭДС элемента 6 проходит через нуль. При асимметрии
компенсация магнитных потоков нарушается, и элемент Холла 6 выдает аналоговый сигнал, который линеен
в диапазоне углов поворота более 180°. При дальнейшем смещении 2 относительно 6 элемент Холла 7 переключает аналоговый сигнал ε6 от элемента 6 на другой аналоговый сигнал ε5 от элемента 5. При этом ε5=ε6.
Асимметрия расположения участка 2 по отношению к ЭХ 5 уменьшается при дальнейшем вращении диска
до тех пор, пока 2 не займет симметричное положение относительно 5 в непосредственной его близости. Тогда ε5 перейдет через нуль и процесс нарастания сигнала и асимметрии расположения пластин магнитопровода и участка 2 увеличится. При повороте на 180° относительно первого переключения ЭХ 7 выдаст команду в измерительный блок на переход на аналоговый сигнал элемента 6. Таким образом, процесс повторится.
Следует отметить, чтобы ε5 и ε6 были линейными функциями угла в диапазонах (0-180°) и (180°-360°),
необходимо поддерживать α более 180°. С учетом отклонений от линейности этих функций целесообразно
иметь α ≥ 190°. При α более 220° оказывается значительным рассеяние магнитного полтока в противоположном направлении и чувствительность устройства к углу поворота ϕ снижается. Поэтому наиболее оптимальным является диапазон (190°≤ α ≤ 220°). Зазор d, где размещены ЭХ 5 и 6, должен быть минимально
возможным. Его величина ограничивается толщиной магниточувствительной полупроводниковой пластины
элемента Холла или подложки с нанесенной на ней полупроводниковой пенкой элемента Холла (в случае,
если ЭХ выполнен в тонкопленочном варианте). С уменьшением толщины пластин магнитопровода h, увеличивается чувствительность устройства к углу поворота, т.е.
dU1 dU 2
и
, однако возрастают технологиdϕ
dϕ
ческие трудности установки преобразователей Холла в зазоре магнитопровода так, чтобы магниточувствительная зона полупроводниковой пластины (пленки) находилась строго в зазоре пластин магнитопровода.
Если учесть, что магниточувствительная область пленочного элемента Холла обычно составляет 1/2-1/3 линейных размеров подложки ЭХ, то очевидно, чтобы эта зона полностью охватывалась магнитопроводом и
его толщина была минимальной, необходимо выполнение следующего условия. Толщина пластин h пластин
магнитопровода не должна превышать максимального линейного размера магниточувствительной полупроводниковой пленки и составлять не менее 75 % этого же линейного размера.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает однозначное определение угла поворота ротора без использования микропроцессора.
4
BY 3713 C1
Фиг. 2
Фиг. 3
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
146 Кб
Теги
by3713, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа